Тяжелые расстройства дыхания требуют экстренной помощи в виде принудительной вентиляции легких. Отказ ли самих легких или дыхательной мускулатуры - это безусловная необходимость подключения сложной аппаратуры для насыщения крови кислородом. Различные модели аппаратов искусственной вентиляции легких - неотъемлемое оснащение служб интенсивной терапии или реанимации, необходимое для поддержания жизни пациентов, у которых проявились острые расстройства дыхания.
В экстренных ситуациях такая аппаратура, ясное дело, важна и необходима. Однако как средство штатной и продолжительной терапии она, к сожалению, не лишена недостатков. Например:
- необходимость постоянного пребывания в стационаре;
- перманентный риск воспалительных осложнений, обусловленный применением насоса для подачи воздуха в легкие;
- ограничения в качестве жизни и самостоятельности (неподвижность, невозможность нормального питания, речевые затруднения и т.д.).
Исключить все эти затруднения, одновременно улучшив процесс насыщения крови кислородом, позволяет инновационная система искусственного легкого iLA, реанимационное, терапевтическое и реабилитационное применение которой предлагают сегодня клиники Германии.
Нерискованное преодоление расстройства дыхания
Система iLA это принципиально иная разработка. Ее действие внепульмональное и полностью неинвазивное. Расстройства дыхания преодолеваются без принудительной вентиляции. Схему насыщения кровью кислородом характеризуют следующие перспективные новшества:
- отсутствие воздушного насоса;
- отсутствие инвазивных («внедренных») устройств в легких и дыхательных путях.
Пациенты, которым установлено искусственное легкое iLA, не привязаны к стационарному устройству и больничной койке, они могут нормально передвигаться, общаться с другими людьми, самостоятельно есть и пить.
Самое главное преимущество: нет необходимости вводить в искусственную кому пациента с искусственной поддержкой дыхания. Применение стандартных аппаратов искусственной вентиляции легких во многих случаях требует коматозного «отключения» пациента. Для чего? Чтобы облегчить физиологические последствия дыхательного угнетения легких. К сожалению, это факт: аппараты искусственной вентиляции угнетают легкие. Насос подает воздух внутрь под давлением. Ритм подачи воздуха воспроизводит ритмику вдохов. Но на естественном вдохе легкие расширяются, в результате чего давление в них понижается. А на искусственном входе (принудительная подача воздуха), давление, наоборот, возрастает. Это и есть фактор угнетения: легкие пребывают в стрессовом режиме, что обусловливает воспалительную реакцию, которая в особо тяжелых случаях может передаваться и другим органам - например, печени или почкам.
Вот почему в применении насосных устройств поддержки дыхания два фактора имеют первостепенное и равноценное значение: неотложность и осторожность.
Система iLA, расширяя круг преимуществ в искусственной поддержке дыхания, избавляет от сопутствующих опасностей.
Как работает аппарат насыщения крови кислородом
Название «искусственное легкое» имеет в данном случае особый смысл, поскольку система iLA действует полностью автономно и не является функциональным дополнением к собственным легким пациента. Фактически это первое в мире искусственное легкое в истинном значении слова (а не легочный насос). Вентилируются не легкие, а сама кровь. Применена мембранная система насыщения крови кислородом и очистки от углекислоты. Кстати, в клиниках Германии систему так и называют: мембранным вентилятором (iLA Membranventilator). Кровь подается в систему естественным порядком, силой сжатия сердечной мышцы (а не мембранным насосом, как в аппарате искусственного кровообращения). Газовый обмен осуществляется в мембранных слоях аппарата примерно так же, как в альвеолах легких. Система действительно работает как «третье легкое», разгружая больные органы дыхания пациента.
Аппарат мембранного обмена (само «искусственное легкое») компактен, его размеры 14 на 14 сантиметров. Пациент носит приборчик с собой. Кровь поступает в него через катетерный порт - специальное подключение к бедренной артерии. Чтобы подключить прибор, не требуется хирургической операции: порт вводят в артерию примерно как иглу шприца. Подключение делают в паховой зоне, особая конструкция порта не ограничивает подвижности и вообще не доставляет пациенту неудобств.
Систему можно применять без перерыва довольно продолжительный срок, до одного месяца.
Показания к применению iLA
В принципе, это любые расстройства дыхания, особенно хронические. В наибольшей мере преимущества искусственного легкого проявляются в следующих случаях:
- хроническая обструктивная болезнь легких;
- острый респираторный дистресс-синдром;
- травмы органов дыхания;
- так называемая фаза Weaning: отвыкание от аппарата искусственной вентиляции легких;
- поддержка пациента перед трансплантацией легкого.
Американские ученые из Йельского университета под руководством Лауры Никласон совершили прорыв: им удалось создать искусственное легкое и пересадить его крысам. Также отдельно было создано легкое, работающее автономно и имитирующее работу настоящего органа.
Надо сказать, что человеческое легкое представляет собой сложный механизм. Площадь поверхности одного легкого у взрослого человека составляет около 70 квадратных метров, собранных так, чтобы обеспечивать эффективный перенос кислорода и углекислого газа между кровью и воздухом. Но ткань легкого трудно восстанавливать, поэтому на данный момент единственный способ заменить поврежденные участки органа - пересадка. Данная процедура весьма рискованна в виду высокого процента отторжений. Согласно статистике, через десять лет после трансплантации в живых остаются лишь 10-20% пациентов.
Комментирует Лаура Никласон: "Нам удалось разработать и изготовить пригодное для пересадки крысам легкое, эффективно переносящее кислород и углекислый газ и оксигенирующее гемоглобин в крови. Это один из первых шагов на пути к воссозданию целого легкого у более крупных животных и в конечном итоге у человека".
Ученые удалили из легких взрослой крысы клеточные компоненты, оставив ветвистые структуры легочных путей и кровеносные сосуды, которые послужили каркасом для новых легких. А вырастить клетки легкого им помог новый биореактор, имитирующий процесс развития легких у эмбриона. В итоге выращенные клетки были пересажаны на подготовленный каркас. Данные клетки заполнили внеклеточный матрикс - структуру ткани, обеспечивающую механическую поддержку и перенос веществ. Пересаженные крысам на 45-120 минут, эти искусственные легкие поглощали кислород и выводили углекислый газ, как настоящие.
А вот исследователям из Гарвардского университета удалось сымитировать работу легкого в автономном режиме в миниатюрном устройстве на основе микрочипа. Они отмечают: способность данного легкого поглощать наночастицы в воздухе и имитировать воспалительную реакцию на патогенных микробов представляет собой принципиальное доказательство того, что органы на микрочипах могут в будущем заменить лабораторных животных.
Собственно, ученые создали устройство стенки альвеолы, легочного пузырька, через который осуществляется газообмен с капиллярами. Для этого они высадили на синтетическую мембрану с одной стороны клетки эпителия из альвеол человеческого легкого, а с другой - клетки легочных сосудов. К клеткам легкого в устройстве подается воздух, к "сосудам" - жидкость, имитирующая кровь, а периодическое растяжение и сжатие передает процесс дыхания.
Дабы проверить реакцию новых легких на воздействия, ученые заставили его "вдохнуть" бактерии Escherichia coli вместе с воздухом, которые попали на "легочную" сторону. А одновременно с этим со стороны "сосудов" исследователи пустили в поток жидкости белые кровяные клетки. Клетки легкого обнаружили присутствие бактерии и запустили иммунный ответ: лейкоциты перешли через мембрану на другую сторону и уничтожили чужеродные организмы.
Помимо этого, ученые добавили в воздух, "вдыхаемый" аппаратом, наночастицы, включая типичные загрязнители воздуха. Некоторые виды этих частиц попали в легочные клетки и вызвали воспаление, а многие свободно прошли в "кровоток". При этом исследователи обнаружили, что механическое давление при дыхании существенно усиливает поглощение наночастиц.
Искусственные лёгкие, достаточно компактные для того, чтобы их можно было переносить в обычном рюкзаке, уже были успешно протестированы на животных. Подобные устройства способны сделать гораздо комфортнее жизни тех людей, чьи собственные лёгкие по какой-либо причине не функционируют должным образом. До сих пор для этих целей использовалось весьма громоздкое оборудование, но новое устройство, разрабатываемое учёными в данный момент, способно изменить это раз и навсегда.
Человек, чьи лёгкие не способны выполнять свою основную функцию, как правило, присоединяются к машинам, насосом прогоняющими их кровь через газообменник, обогащая её кислородом и удаляя из неё углекислый газ. Разумеется, во время этого процесса человек вынужден лежать на кровати или кушетке. И чем дольше они пребывают в лежачем состоянии, тем слабее становятся их мышцы, делая выздоровление маловероятным. Именно для того, чтобы сделать пациентов мобильными, и были разработаны компактные искусственные лёгкие. Проблема стала особенно актуальной в 2009 году, когда произошла вспышка свиного гриппа, в результате которой у многих заболевших отказали лёгкие.
Искусственные лёгкие могут не только помочь больным реабилитироваться от некоторых лёгочных инфекций, но и позволят пациентам дождаться подходящих донорских лёгких для трансплантации. Как вы знаете, очередь на порой может растянуться на долгие годы. Ситуацию осложняет тот факт, что у людей с отказавшими лёгкими, как правило, сильно ослаблено и сердце, которому предстоит прокачивать кровь через .
«Создание искусственных лёгких гораздо более сложная задача, нежели проектирование искусственного сердца. Сердце просто перекачивает кровь, тогда как лёгкие представляют собой сложную сеть альвиол, внутри которых происходит процесс газообмена. На сегодняшний день не существует технологии, способной даже приблизиться к эффективности настоящих лёгких», — рассказывает сотрудник Университета Питтсбурга Уильям Федершпиль.
Команда Уильяма Федершпиля разработала искусственные лёгкие, которые включают в себя насос (поддерживающий сердце) и газообменник, но при этом устройство настолько компактно, что легко поместится в небольшую сумку или рюкзак. Устройство подсоединяется к трубкам, соединённым с кровеносной системой человека, эффективно обогащая кровь кислородом и удаляя из неё избытки углекислого газа. В текущем месяце завершились успешные испытания прибора на четырёх подопытных овцах, в ходе которых кровь животных насыщалась кислородом на протяжении разных периодов времени. Таким образом учёные постепенно довели время непрерывной работы прибора до пяти суток.
Альтернативную модель искусственных лёгких разрабатывают исследователи Университета Карнеги - Меллон всё в том же Питтсбурге. Этот прибор предназначен в первую очередь для тех пациентов, чьё сердце достаточно здоровое, чтобы самостоятельно прокачивать кровь через внешний искусственный орган. Устройство точно так же подсоединяется к трубкам, напрямую соединяемым с сердцем человека, после чего ремнями прикрепляется к его телу. Пока оба прибора нуждаются в источнике кислорода, другими словами – в дополнительном переносном баллоне. С другой же стороны, в данный момент учёные стараются решить эту проблему, и у них вполне успешно получается.
Прямо сейчас исследователи тестируют прототип искусственных лёгких, которому баллон с кислородом больше не нужен. Согласно официальному заявлению, новое поколение устройства будет ещё более компактным, а кислород будет выделяться из окружающего воздуха. Прототип сейчас тестируется на лабораторных крысах и демонстрирует по-настоящему впечатляющие результаты. Секрет новой модели искусственных лёгких заключается в использовании ультратонких (всего 20 микрометров) трубочек из полимерных мембран, значительно увеличивающих поверхность газообмена.
То, что вдувание воздуха в легкие может оживить человека, знали с древнейших времен, но вспомогательные приборы для этого начали производить только в средние века. В 1530 году Парацельс впервые применил ротовой воздуховод с кожаными мехами, предназначенными для раздувания огня в камине. Через 13 лет Везалеус опубликовал труд «О строении человеческого тела», в котором обосновал пользу вентиляции легких через введенную в трахею трубку. А в 2013 году исследователи Университета Кейс Вестерн Резерв создали прототип искусственного легкого. Аппарат использует очищенный атмосферный воздух и не нуждается в концентрированном кислороде. Устройство по структуре напоминает человеческое легкое с силиконовыми капиллярами и альвеолами и работает на механической помпе. Биополимерные трубки имитирую разветвления бронхов на бронхиолы. В будущем запланировано совершенствование аппарата с привязкой к сокращениям миокарда. Мобильное устройство с большой вероятностью может заменить транспортный аппарат ИВЛ.
Размеры искусственного легкого - до 15x15x10 сантиметров, размеры его хотят максимально приблизить к человеческому органу. Огромная площадь газовой диффузионной мембраны дает 3-х - 5-ти кратное повышение эффективность кислородообмена.
Пока прибор тестируется на свиньях, но тесты уже показали его эффективность при дыхательной недостаточности. Внедрение искусственного легкого поможет отказаться от более массивных транспортных аппаратов ИВЛ, работающих со взрывоопасными кислородными баллонами.
Искусственное легкое позволяет активизировать пациента, в противном случае прикованного к постельному реаниматологическому либо транспортному аппарату ИВЛ. А с активизацией возрастают шанс на выздоровление и психологическое состояние.
Пациенты, ожидающие пересадки донорского легкого, обычно вынуждены находиться в больнице довольно долго на аппарате для искусственной оксигенации, пользуясь которым, можно только лежать в койке и наблюдать, как за тебя дышит машина.
Проект искусственного легкого, способного протезировать дыхательную недостаточность, дает этим пациентам шанс на скорейшее выздоровление.
В комплект портативного искусственного легкого входит само легкое и насос для крови. Автономная работа рассчитана на срок до трех месяцев. Малые размеры аппарата позволяют ему заменить транспортный аппарат ИВЛ экстренных медицинских служб.
Работа легкого основана на портативном насосе, обогащающем кровь газами воздуха.
Некоторым людям (особенно новорожденным детям) не требуется длительная подача высококонцентрированного кислорода из-за его окислительных свойств.
Еще один нестандартный аналог ИВЛ, применяемый при высоком повреждении спинного мозга, - чрезкожная электростимуляция диафрагмальных нервов («френикус-стимуляция»). Разработан трансплевральный массаж легких по В. П. Смольникову - создание в плевральных полостях состояния пульсирующего пневмоторакса.
Mohammadhossein Dabaghi et.al. \Biomicrofluidics 2018
Группа ученых из Канады и Германии создала внешние искусственные легкие для новорожденных, родившихся с проблемами дыхательной системы. Новые внешние легкие представляют собой систему микроканалов, состоящую из двухсторонних пористых мембран, обогащающих протекающую через них кровь кислородом. Кровь по таким каналам течет самостоятельно, что является огромным плюсом и помогает избежать множества проблем, связанных с внешними насосами, сообщается в статье в Biomicrofluidics.
Респираторный дистресс-синдром (РДС) проявляется у примерно 60 процентов новорожденных при 28-недельной гестации, у 15–20 процентах при сроке 32-36 недель. При этом из-за того, что легкие - один из органов, развивающихся в конце беременности, преждевременно рожденные младенцы при РДС нуждаются в дополнительной внешней помощи для насыщения крови кислородом, пока их собственные легкие не смогут полностью выполнять свои функции самостоятельно. При этом бывают случаи, когда механической вентиляции легких недостаточно, и врачи вынужденны обогащать кровь кислородом напрямую. В таких случаях приходится прогонять кровь младенца через специальные мембранные системы, в которых происходит насыщение крови кислородом.
Но, в отличие от взрослых, у новорожденных детей объем крови обычно не превышает 400–500 миллилитров, а значит, чтобы избежать чрезмерного разведения крови и понижения гематокрита, опасно использовать более 30–40 миллилитров крови для оксигенации вне тела. Этот факт ограничивает время, которое единица крови может проводить вне организма, то есть процесс оксигенации должен происходить достаточно быстро. Кроме того, для избежания перепадов давления, которые происходят при использовании перфузионного насоса и могут повредить клетки крови, в идеале движение крови через мембранную систему должно обеспечивать сердце. И, хоть это и не критично, но было бы хорошо, чтобы мембраны могли обогащать кровь кислородом, используя для этого обычный воздух, а не специально приготовленную смесь газов или чистый кислород.
Все эти требования ученые попытались удовлетворить, использовав концепцию искусственной плаценты. Она подразумевает обмен газами между кровью и внешним источником, не смешивая при этом кровь младенца с другими жидкостями (лишь добавив в нее солевой раствор для поддержания количества циркулирующей в кровеносных сосудах жидкости). При этом, поскольку объем крови вне организма должен не превышать 30 миллилитров, необходимо создать структуру, в которой при фиксированном объеме площадь соприкосновения крови с газообменной мембраной максимальна. Проще всего это сделать, заполнив кровью параллелепипед с очень маленькой высотой, однако такая структура будет очень неустойчива. Именно тот факт, что конструкция должна быть тонкой, но при этом прочной, а также изготовленной из пористых материалов и накладывал основные ограничения на создание искусственных легких.
Для эффективного газообмена ученые разместили две квадратные (43×43 миллиметра) пористые полидиметилсилоксановые мембраны параллельно друг-другу, расположив между ними сеть из квадратных колонн со стороной в миллиметр, образовав множество прямых, перпендикулярных друг-другу каналов, по которым течет кровь. Кроме механического удерживания мембран, эти колонны также способствовали перемешиванию крови, делая ее более однородной по составу во всей системе. Также, для достаточной устойчивости конструкции, отсутствия деформаций во время работы и уменьшения влияния дефектов, одна из мембран должна быть достаточно толстой, чтобы обеспечить прочность структуры, но в то же время достаточно тонкой для того, чтобы через нее мог происходить газообмен. Для уменьшения толщины полидиметилсилоксанового слоя, не теряя при этом в механических свойствах, исследователи вставили в него сеть из полосок армированной стали.
